Kemijska komponenta zavojne cijevi od nehrđajućeg čelika 310, Učinak površinskih defekata u čeličnoj žici kaljenoj u ulju na vijek trajanja opruga ventila u motorima automobila.

Hvala što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, web stranicu prikazujemo bez stilova i JavaScripta.
Klizači koji prikazuju tri članka po slajdu.Za pomicanje kroz slajdove koristite gumbe Natrag i Sljedeće ili gumbe za upravljanje slajdovima na kraju za kretanje kroz svaki slajd.

Namotane cijevi od nehrđajućeg čelika 310 /namotana cijevKemijski sastavi sastav

Sljedeća tablica prikazuje kemijski sastav nehrđajućeg čelika kvalitete 310S.

10*1 mm 9,25*1,24 mm 310 dobavljači kapilarne spiralne cijevi od nehrđajućeg čelika

Fizička svojstva

Fizička svojstva nehrđajućeg čelika kvalitete 310S prikazana su u sljedećoj tablici.

Mehanička svojstva

Sljedeća tablica prikazuje mehanička svojstva nehrđajućeg čelika kvalitete 310S.

Toplinska svojstva

Toplinska svojstva nehrđajućeg čelika kvalitete 310S navedena su u sljedećoj tablici.

Ostale oznake

Druge oznake ekvivalentne nehrđajućem čeliku kvalitete 310S navedene su u sljedećoj tablici.

Svrha ovog istraživanja je procijeniti vijek trajanja opruge ventila automobilskog motora od zamora pri nanošenju mikrodefekata na žicu kaljenu u ulju od 2300 MPa (OT žica) s kritičnom dubinom defekta od 2,5 mm u promjeru.Prvo, deformacija površinskih defekata OT žice tijekom proizvodnje opruge ventila dobivena je analizom konačnih elemenata korištenjem metoda subsimulacije, a zaostalo naprezanje gotove opruge je izmjereno i primijenjeno na model analize naprezanja opruge.Drugo, analizirajte čvrstoću opruge ventila, provjerite zaostalo naprezanje i usporedite razinu primijenjenog naprezanja s površinskim nesavršenostima.Treće, učinak mikrodefekata na vijek trajanja opruge od zamora procijenjen je primjenom naprezanja na površinske defekte dobivenog iz analize čvrstoće opruge na SN krivulje dobivene iz testa zamora na savijanje tijekom rotacije žice OT.Dubina defekta od 40 µm trenutni je standard za upravljanje površinskim defektima bez ugrožavanja vijeka trajanja od zamora.
Automobilska industrija ima veliku potražnju za laganim automobilskim komponentama za poboljšanje učinkovitosti goriva vozila.Stoga je uporaba naprednog čelika visoke čvrstoće (AHSS) u porastu posljednjih godina.Opruge ventila za automobilske motore uglavnom se sastoje od čeličnih žica otpornih na toplinu i habanje koje se ne savijaju u ulju (OT žice).
Zbog svoje visoke vlačne čvrstoće (1900–2100 MPa), trenutno korištene OT žice omogućuju smanjenje veličine i mase opruga ventila motora, poboljšavaju učinkovitost goriva smanjenjem trenja s okolnim dijelovima1.Zbog ovih prednosti, uporaba visokonaponske žičane šipke brzo raste, a jedna za drugom se pojavljuju žičane šipke ultra-visoke čvrstoće klase 2300MPa.Opruge ventila u automobilskim motorima zahtijevaju dug vijek trajanja jer rade pod velikim cikličkim opterećenjima.Kako bi ispunili ovaj zahtjev, proizvođači obično uzimaju u obzir vijek trajanja veći od 5,5 × 107 ciklusa pri projektiranju opruga ventila i primjenjuju zaostalo naprezanje na površinu opruge ventila kroz postupke sačmarenja i skupljanja radi poboljšanja vijeka trajanja2.
Bilo je dosta studija o vijeku trajanja zavojnih opruga u vozilima u normalnim radnim uvjetima.Gzal i sur.Prikazane su analitičke, eksperimentalne i analize pomoću konačnih elemenata (FE) eliptičnih spiralnih opruga s malim kutovima uzvojnice pod statičkim opterećenjem.Ova studija daje eksplicitan i jednostavan izraz za lokaciju maksimalnog smičnog naprezanja u odnosu na omjer visine i indeks krutosti, a također pruža analitički uvid u maksimalni smični napon, kritični parametar u praktičnim projektima3.Pastorčić i sur.Opisani su rezultati analize razaranja i zamora spiralne opruge skinute s osobnog automobila nakon kvara u radu.Eksperimentalnim metodama ispitana je slomljena opruga, a rezultati upućuju da se radi o primjeru loma uslijed zamora korozijom4.rupa itd. Razvijeno je nekoliko linearnih regresijskih modela životnog vijeka opruga za procjenu vijeka trajanja automobilskih spiralnih opruga od zamora.Putra i drugi.Zbog neravnina na površini ceste određuje se vijek trajanja spiralne opruge automobila.Međutim, malo je istraživanja provedeno o tome kako površinski nedostaci koji se javljaju tijekom procesa proizvodnje utječu na životni vijek automobilskih spiralnih opruga.
Površinski defekti koji se javljaju tijekom procesa proizvodnje mogu dovesti do lokalne koncentracije naprezanja u oprugama ventila, što značajno smanjuje njihov vijek trajanja od zamora.Površinske greške opruga ventila uzrokovane su različitim čimbenicima, kao što su površinske greške korištenih sirovina, greške u alatima, grubo rukovanje tijekom hladnog valjanja7.Površinske greške sirovine su strmo u obliku slova V zbog vrućeg valjanja i izvlačenja u više prolaza, dok su greške uzrokovane alatom za oblikovanje i nepažljivim rukovanjem u obliku slova U s blagim padinama8,9,10,11.Defekti u obliku slova V uzrokuju veće koncentracije naprezanja nego defekti u obliku slova U, tako da se na početni materijal obično primjenjuju strogi kriteriji upravljanja nedostacima.
Trenutačni standardi upravljanja površinskim nedostacima za OT žice uključuju ASTM A877/A877M-10, DIN EN 10270-2, JIS G 3561 i KS D 3580. DIN EN 10270-2 navodi da dubina površinskog defekta na promjeru žice od 0,5– 10 mm je manje od 0,5–1% promjera žice.Osim toga, JIS G 3561 i KS D 3580 zahtijevaju da dubina površinskih defekata u žičanoj šipki promjera 0,5–8 mm bude manja od 0,5 % promjera žice.U ASTM A877/A877M-10, proizvođač i kupac moraju se dogovoriti o dopuštenoj dubini površinskih nedostataka.Za mjerenje dubine defekta na površini žice, žica se obično nagriza solnom kiselinom, a zatim se mikrometrom mjeri dubina defekta.Međutim, ova metoda može mjeriti nedostatke samo na određenim područjima, a ne na cijeloj površini konačnog proizvoda.Stoga proizvođači koriste ispitivanje vrtložnim strujama tijekom procesa izvlačenja žice za mjerenje površinskih nedostataka u kontinuirano proizvedenoj žici;Ovi testovi mogu mjeriti dubinu površinskih defekata do 40 µm.Čelična žica od 2300MPa koja se razvija ima veću vlačnu čvrstoću i manje istezanje od postojeće čelične žice od 1900-2200MPa, tako da se vijek trajanja opruge ventila smatra vrlo osjetljivim na površinske nedostatke.Stoga je potrebno provjeriti sigurnost primjene postojećih standarda za kontrolu dubine površinskih defekata za čeličnu žicu razreda 1900-2200 MPa do čelične žice razreda 2300 MPa.
Svrha ove studije je procijeniti vijek trajanja opruge ventila automobilskog motora kada se minimalna dubina pukotine mjerljiva ispitivanjem vrtložnim strujama (tj. 40 µm) primijeni na OT žicu od 2300 MPa (promjer: 2,5 mm): kritična greška dubina .Doprinos i metodologija ove studije su sljedeći.
Kao početni defekt u OT žici korišten je defekt u obliku slova V, koji ozbiljno utječe na vijek trajanja od zamora, u poprečnom smjeru u odnosu na os žice.Razmotrite omjer dimenzija (α) i duljine (β) površinskog defekta kako biste vidjeli učinak njegove dubine (h), širine (w) i duljine (l).Površinski defekti nastaju unutar opruge, gdje prvo dolazi do kvara.
Kako bi se predvidjela deformacija početnih defekata u OT žici tijekom hladnog namotavanja, korišten je subsimulacijski pristup, koji je uzeo u obzir vrijeme analize i veličinu površinskih defekata, budući da su defekti vrlo mali u usporedbi s OT žicom.globalni model.
Zaostala tlačna naprezanja u opruzi nakon dvostupanjskog sačmarenja izračunata su metodom konačnih elemenata, a rezultati su uspoređeni s mjerenjima nakon sačmarenja kako bi se potvrdio analitički model.Osim toga, izmjerena su zaostala naprezanja u oprugama ventila iz svih proizvodnih procesa i primijenjena na analizu čvrstoće opruga.
Naprezanja u površinskim defektima predviđaju se analizom čvrstoće opruge, uzimajući u obzir deformaciju defekta tijekom hladnog valjanja i zaostalo tlačno naprezanje u gotovoj opruzi.
Ispitivanje zamora rotacijskim savijanjem provedeno je korištenjem OT žice izrađene od istog materijala kao i opruga ventila.Kako bi se povezale karakteristike zaostalog naprezanja i površinske hrapavosti izrađenih opruga ventila s OT linijama, SN krivulje su dobivene rotirajućim testovima zamora savijanjem nakon primjene dvostupanjskog sačmarenja i torzije kao procesa predobrade.
Rezultati analize čvrstoće opruge primjenjuju se na Goodmanovu jednadžbu i SN krivulju za predviđanje vijeka trajanja opruge ventila od zamora, a također se ocjenjuje učinak dubine površinskog defekta na vijek trajanja od zamora.
U ovoj studiji, 2300 MPa OT žica promjera 2,5 mm korištena je za procjenu vijeka trajanja opruge ventila automobilskog motora.Najprije je provedeno vlačno ispitivanje žice kako bi se dobio njezin model duktilnog loma.
Mehanička svojstva OT žice dobivena su iz ispitivanja rastezanja prije analize konačnih elemenata procesa hladnog namotavanja i čvrstoće opruge.Krivulja naprezanje-deformacija materijala određena je korištenjem rezultata vlačnih ispitivanja pri brzini deformacije od 0,001 s-1, kao što je prikazano na sl.1. Koristi se SWONB-V žica, a njezina granica razvlačenja, vlačna čvrstoća, modul elastičnosti i Poissonov omjer su 2001,2 MPa, 2316 MPa, 206 GPa i 0,3.Ovisnost naprezanja o deformaciji protoka dobiva se na sljedeći način:
Riža.Slika 2 ilustrira proces duktilnog loma.Materijal prolazi kroz elastoplastičnu deformaciju tijekom deformacije, a materijal se sužava kada naprezanje u materijalu dosegne svoju vlačnu čvrstoću.Naknadno, stvaranje, rast i pridruživanje šupljina unutar materijala dovodi do uništenja materijala.
Model duktilnog loma koristi model kritične deformacije modificiran naprezanjem koji uzima u obzir učinak naprezanja, a lom nakon grla koristi metodu akumulacije oštećenja.Ovdje se inicijacija oštećenja izražava kao funkcija deformacije, troosnosti naprezanja i brzine deformacije.Troosnost naprezanja definira se kao prosječna vrijednost dobivena dijeljenjem hidrostatskog naprezanja uzrokovanog deformacijom materijala do formiranja grla s efektivnim naprezanjem.U metodi akumulacije štete, uništenje se događa kada vrijednost štete dosegne 1, a energija potrebna da se postigne vrijednost štete 1 definira se kao energija uništenja (Gf).Energija loma odgovara području prave krivulje naprezanja i pomaka materijala od vremena grla do vremena loma.
U slučaju konvencionalnih čelika, ovisno o načinu naprezanja, duktilni lom, smični lom ili mješoviti lom javlja se zbog duktilnosti i smičnog loma, kao što je prikazano na slici 3. Deformacija loma i triaksijalnost naprezanja pokazali su različite vrijednosti za uzorak prijeloma.
Plastično slom se događa u području koje odgovara troosnosti naprezanja većem od 1/3 (zona I), a deformacija loma i troosnost naprezanja mogu se zaključiti iz vlačnih ispitivanja na uzorcima s površinskim greškama i zarezima.U području koje odgovara troosnosti naprezanja od 0 ~ 1/3 (zona II), dolazi do kombinacije duktilnog loma i sloma posmika (tj. kroz torzijsko ispitivanje. U području koje odgovara troosnosti naprezanja od -1/3 do 0 (III), posmični slom uzrokovan kompresijom, te deformacija loma i troosnost naprezanja mogu se dobiti testom savijanja.
Za OT žice koje se koriste u proizvodnji opruga ventila motora, potrebno je uzeti u obzir lomove uzrokovane različitim uvjetima opterećenja tijekom procesa proizvodnje i uvjeta primjene.Stoga su provedena vlačna i torzijska ispitivanja kako bi se primijenio kriterij deformacije sloma, uzet je u obzir učinak troosne naprezanja na svaki način naprezanja, a provedena je elastoplastična analiza konačnih elemenata pri velikim deformacijama kako bi se kvantificirala promjena troosne naprezanja.Način kompresije nije razmatran zbog ograničenja obrade uzorka, naime promjer OT žice je samo 2,5 mm.U tablici 1 navedeni su ispitni uvjeti za vlačnost i torziju, kao i troosnost naprezanja i deformaciju loma, dobivene analizom konačnih elemenata.
Lomna deformacija konvencionalnih troaksijalnih čelika pod naprezanjem može se predvidjeti pomoću sljedeće jednadžbe.
gdje C1: \({\overline{{\varepsilon}_{0}}}^{pl}\) čisti rez (η = 0) i C2: \({\overline{{\varepsilon}_{0} } }^{pl}\) Jednoosna napetost (η = η0 = 1/3).
Linije trenda za svaki način naprezanja dobivene su primjenom vrijednosti deformacije loma C1 i C2 u jednadžbi.(2);C1 i C2 dobiveni su vlačnim i torzijskim ispitivanjima na uzorcima bez površinskih grešaka.Slika 4 prikazuje troosnost naprezanja i deformaciju loma dobivenu testovima i linije trenda predviđene jednadžbom.(2) Linija trenda dobivena ispitivanjem i odnos između troosnosti naprezanja i deformacije loma pokazuju sličan trend.Deformacija loma i troosnost naprezanja za svaki način naprezanja, dobiveni primjenom linija trenda, korišteni su kao kriteriji za duktilni lom.
Energija loma se koristi kao svojstvo materijala za određivanje vremena loma nakon grla i može se dobiti iz ispitivanja vlačnosti.Energija loma ovisi o prisutnosti ili odsutnosti pukotina na površini materijala, jer vrijeme do loma ovisi o koncentraciji lokalnih naprezanja.Slike 5a-c prikazuju energije loma uzoraka bez površinskih defekata i uzoraka s R0.4 ili R0.8 zarezima iz vlačnih ispitivanja i analize konačnih elemenata.Energija loma odgovara području prave krivulje naprezanja i pomaka od grla do vremena loma.
Energija loma OT žice s finim površinskim defektima predviđena je provođenjem vlačnih ispitivanja na OT žici s dubinom defekta većom od 40 µm, kao što je prikazano na slici 5d.Za vlačna ispitivanja korišteno je deset uzoraka s greškama, a prosječna energija loma procijenjena je na 29,12 mJ/mm2.
Standardizirani površinski defekt definiran je kao omjer dubine defekta i promjera žice opruge ventila, bez obzira na geometriju površinskog defekta OT žice koja se koristi u proizvodnji automobilskih opruga ventila.Defekti OT žice mogu se klasificirati na temelju orijentacije, geometrije i duljine.Čak i uz istu dubinu defekta, razina naprezanja koja djeluje na površinski defekt u opruzi varira ovisno o geometriji i orijentaciji defekta, tako da geometrija i orijentacija defekta mogu utjecati na čvrstoću zamora.Stoga je potrebno uzeti u obzir geometriju i orijentaciju defekata koji imaju najveći utjecaj na vijek opruge od zamora kako bi se primijenili strogi kriteriji za upravljanje površinskim defektima.Zbog fino zrnaste strukture OT žice, njezin vijek trajanja je vrlo osjetljiv na urezivanje.Stoga bi defekt koji pokazuje najveću koncentraciju naprezanja prema geometriji i orijentaciji defekta trebao biti ustanovljen kao početni defekt korištenjem analize konačnih elemenata.Na sl.Slika 6 prikazuje automobilske opruge ventila klase ultra-visoke čvrstoće od 2300 MPa korištene u ovoj studiji.
Površinski nedostaci OT žice dijele se na unutarnje i vanjske nedostatke prema osi opruge.Zbog savijanja tijekom hladnog valjanja, tlačno naprezanje i vlačno naprezanje djeluju s unutarnje i vanjske strane opruge.Lom mogu uzrokovati površinski defekti koji se pojavljuju izvana zbog vlačnih naprezanja tijekom hladnog valjanja.
U praksi, opruga je podvrgnuta periodičnom sabijanju i opuštanju.Prilikom sabijanja opruge dolazi do uvijanja čelične žice, a zbog koncentracije naprezanja posmično naprezanje unutar opruge veće je od okolnog posmičnog naprezanja7.Dakle, ako unutar opruge postoje površinski defekti, vjerojatnost pucanja opruge je najveća.Stoga su vanjska strana opruge (mjesto gdje se očekuje kvar tijekom proizvodnje opruge) i unutarnja strana (gdje je naprezanje najveće u stvarnoj primjeni) postavljene kao lokacije površinskih defekata.
Geometrija površinskog defekta OT linija podijeljena je na U-oblik, V-oblik, Y-oblik i T-oblik.Y-tip i T-tip uglavnom postoje u površinskim defektima sirovina, a U-tip i V-tip defekti nastaju zbog nepažljivog rukovanja alatima u procesu hladnog valjanja.S obzirom na geometriju površinskih defekata u sirovinama, defekti u obliku slova U koji proizlaze iz nejednolike plastične deformacije tijekom vrućeg valjanja deformiraju se u defekte spojeva u obliku slova V, Y i T pod rastezanjem u više prolaza8, 10.
Osim toga, defekti u obliku slova V, Y i T s velikim nagibima zareza na površini bit će podvrgnuti visokoj koncentraciji naprezanja tijekom rada opruge.Opruge ventila savijaju se tijekom hladnog valjanja i uvijaju tijekom rada.Koncentracije naprezanja defekata u obliku slova V i oblika Y s višim koncentracijama naprezanja uspoređene su pomoću analize konačnih elemenata, ABAQUS – komercijalnog softvera za analizu konačnih elemenata.Odnos naprezanje-deformacija prikazan je na slici 1. i u jednadžbi 1. (1) Ova simulacija koristi dvodimenzionalni (2D) pravokutni element s četiri čvora, a minimalna duljina stranice elementa je 0,01 mm.Za analitički model, defekti u obliku slova V i oblika Y s dubinom od 0,5 mm i nagibom defekta od 2° primijenjeni su na 2D model žice promjera 2,5 mm i duljine 7,5 mm.
Na sl.Slika 7a prikazuje koncentraciju naprezanja savijanja na vrhu svakog defekta kada se moment savijanja od 1500 Nmm primijeni na oba kraja svake žice.Rezultati analize pokazuju da se maksimalna naprezanja od 1038,7 i 1025,8 MPa javljaju na vrhovima defekta u obliku slova V, odnosno 1025,8 MPa.Na sl.Slika 7b prikazuje koncentraciju naprezanja na vrhu svakog defekta uzrokovanog torzijom.Kada je lijeva strana ograničena i zakretni moment od 1500 N∙mm se primjenjuje na desnu stranu, isto maksimalno naprezanje od 1099 MPa javlja se na vrhovima defekata u obliku slova V i oblika Y.Ovi rezultati pokazuju da defekti V-tipa pokazuju veće naprezanje na savijanje nego defekti Y-tipa kada imaju istu dubinu i nagib defekta, ali doživljavaju isto torzijsko naprezanje.Stoga se površinski defekti u obliku slova V i oblika Y s istom dubinom i nagibom defekta mogu normalizirati na one u obliku slova V s većim maksimalnim naprezanjem uzrokovanim koncentracijom naprezanja.Omjer veličine defekta V-tipa definiran je kao α = w/h korištenjem dubine (h) i širine (w) defekata V-tipa i T-tipa;dakle, defekt T-tipa (α ≈ 0) umjesto toga, geometrija se može definirati geometrijskom strukturom defekta V-tipa.Stoga se defekti Y-tipa i T-tipa mogu normalizirati defektima V-tipa.Korištenjem dubine (h) i duljine (l), omjer duljina se inače definira kao β = l/h.
Kao što je prikazano na slici 811, pravci površinskih defekata OT žica podijeljeni su na uzdužni, poprečni i kosi smjer, kao što je prikazano na slici 811. Analiza utjecaja orijentacije površinskih defekata na čvrstoću opruge pomoću konačnog elementa metoda.
Na sl.Slika 9a prikazuje model analize naprezanja opruge ventila motora.Kao uvjet analize, opruga je bila komprimirana sa slobodne visine od 50,5 mm na tvrdu visinu od 21,8 mm, unutar opruge je stvoreno maksimalno naprezanje od 1086 MPa, kao što je prikazano na slici 9b.Budući da se kvar stvarnih opruga ventila motora uglavnom događa unutar opruge, očekuje se da će prisutnost unutarnjih površinskih defekata ozbiljno utjecati na vijek trajanja opruge od zamora.Stoga se površinski defekti u uzdužnom, poprečnom i kosom smjeru nanose na unutarnju stranu opruga ventila motora korištenjem tehnika podmodeliranja.U tablici 2 prikazane su dimenzije površinskih defekata i maksimalno naprezanje u svakom smjeru defekta pri maksimalnom pritisku opruge.Najveća naprezanja uočena su u poprečnom smjeru, a omjer naprezanja u uzdužnom i kosom smjeru prema poprečnom smjeru procijenjen je na 0,934–0,996.Omjer naprezanja može se odrediti jednostavnim dijeljenjem ove vrijednosti s maksimalnim poprečnim naprezanjem.Maksimalno naprezanje u opruzi javlja se na vrhu svakog površinskog defekta, kao što je prikazano na slici 9s.Vrijednosti naprezanja promatrane u uzdužnom, poprečnom i kosom smjeru su 2045, 2085, odnosno 2049 MPa.Rezultati ovih analiza pokazuju da poprečni površinski defekti imaju najizravniji učinak na vijek trajanja opruga ventila motora.
Defekt u obliku slova V, za koji se pretpostavlja da najizravnije utječe na vijek trajanja opruge ventila motora, odabran je kao početni defekt OT žice, a poprečni smjer odabran je kao smjer defekta.Ovaj kvar se ne javlja samo izvana, gdje je tijekom proizvodnje pukla opruga ventila motora, već i iznutra, gdje dolazi do najvećeg naprezanja zbog koncentracije naprezanja tijekom rada.Najveća dubina pukotine postavljena je na 40 µm, što se može otkriti detekcijom grešaka vrtložnim strujama, a minimalna dubina je postavljena na dubinu koja odgovara 0,1% promjera žice od 2,5 mm.Stoga je dubina defekta od 2,5 do 40 µm.Dubina, duljina i širina pukotina s omjerom duljine od 0,1~1 i omjerom duljine od 5~15 korištene su kao varijable, te je procijenjen njihov učinak na čvrstoću opruge na zamor.U tablici 3 navedeni su analitički uvjeti određeni pomoću metodologije odzivne površine.
Opruge ventila za automobilske motore proizvode se hladnim namotavanjem, kaljenjem, pjeskarenjem i toplinskim postavljanjem OT žice.Promjene u površinskim defektima tijekom izrade opruga moraju se uzeti u obzir kako bi se procijenio učinak početnih površinskih defekata u OT žicama na vijek trajanja opruga ventila motora.Stoga se u ovom odjeljku analiza konačnih elemenata koristi za predviđanje deformacije površinskih defekata OT žice tijekom proizvodnje svake opruge.
Na sl.10 prikazuje postupak hladnog namotavanja.Tijekom ovog procesa, OT žica se dovodi u vodilicu žice pomoću valjka za uvlačenje.Vodilica žice dovodi i podupire žicu kako bi spriječila savijanje tijekom procesa oblikovanja.Žicu koja prolazi kroz vodilicu žice savijaju prva i druga šipka kako bi se oblikovala zavojna opruga sa željenim unutarnjim promjerom.Uspon opruge nastaje pomicanjem koračnog alata nakon jednog okretaja.
Na sl.Slika 11a prikazuje model konačnih elemenata koji se koristi za procjenu promjene u geometriji površinskih defekata tijekom hladnog valjanja.Oblikovanje žice uglavnom se dovršava klinom za namatanje.Budući da oksidni sloj na površini žice djeluje kao lubrikant, učinak trenja dodavačkog valjka je zanemariv.Stoga su u proračunskom modelu valjak za povlačenje i vodilica žice pojednostavljeni kao čahura.Koeficijent trenja između OT žice i alata za oblikovanje postavljen je na 0,05.Ravnina 2D krutog tijela i uvjeti fiksiranja primjenjuju se na lijevi kraj linije tako da se može unositi u smjeru X istom brzinom kao i valjak za uvlačenje (0,6 m/s).Na sl.Slika 11b prikazuje metodu subsimulacije koja se koristi za primjenu malih defekata na žice.Kako bi se uzela u obzir veličina površinskih defekata, podmodel se primjenjuje dva puta za površinske defekte dubine od 20 µm ili više i tri puta za površinske defekte dubine manje od 20 µm.Površinske greške se nanose na područja formirana jednakim koracima.U ukupnom modelu opruge, duljina ravnog komada žice je 100 mm.Za prvi podmodel primijenite podmodel 1 duljine 3 mm na uzdužni položaj od 75 mm od globalnog modela.Ova simulacija koristila je trodimenzionalni (3D) šesterokutni element s osam čvorova.U globalnom modelu i podmodelu 1 minimalna duljina stranice svakog elementa je 0,5 odnosno 0,2 mm.Nakon analize podmodela 1, površinski defekti primjenjuju se na podmodel 2, a duljina i širina podmodela 2 je 3 puta veća od duljine površinskog defekta kako bi se eliminirao utjecaj rubnih uvjeta podmodela, u Osim toga, 50% duljine i širine koristi se kao dubina podmodela.U podmodelu 2 minimalna duljina stranice svakog elementa je 0,005 mm.Određeni površinski nedostaci primijenjeni su na analizu konačnih elemenata kao što je prikazano u tablici 3.
Na sl.Slika 12 prikazuje raspodjelu naprezanja u površinskim pukotinama nakon hladne obrade svitka.Generalni model i submodel 1 pokazuju gotovo ista naprezanja od 1076 i 1079 MPa na istom mjestu, što potvrđuje ispravnost metode submodeliranja.Lokalne koncentracije naprezanja javljaju se na graničnim rubovima podmodela.Očigledno je to zbog rubnih uvjeta podmodela.Zbog koncentracije naprezanja, podmodel 2 s primijenjenim površinskim defektima pokazuje naprezanje od 2449 MPa na vrhu defekta tijekom hladnog valjanja.Kao što je prikazano u tablici 3, površinski nedostaci identificirani metodom odzivne površine naneseni su na unutarnju stranu opruge.Rezultati analize konačnih elemenata pokazali su da nijedan od 13 slučajeva površinskih defekata nije uspio.
Tijekom procesa namotavanja u svim tehnološkim procesima, dubina površinskih defekata unutar opruge povećala se za 0,1-2,62 µm (Sl. 13a), a širina smanjila za 1,8-35,79 µm (Sl. 13b), dok se duljina povećala za 0,72 –34,47 µm (slika 13c).Budući da je poprečni defekt u obliku slova V zatvoren po širini savijanjem tijekom procesa hladnog valjanja, deformiran je u defekt u obliku slova V s strmijim nagibom od izvornog defekta.
Deformacije u dubini, širini i duljini površinskih defekata OT žice u procesu proizvodnje.
Nanesite površinske nedostatke na vanjsku stranu opruge i predvidite vjerojatnost loma tijekom hladnog valjanja pomoću analize konačnih elemenata.Pod uvjetima navedenim u tablici.3, ne postoji vjerojatnost uništenja nedostataka na vanjskoj površini.Drugim riječima, na dubini površinskih defekata od 2,5 do 40 µm nije došlo do destrukcije.
Kako bi se predvidjeli kritični površinski defekti, istraženi su vanjski lomovi tijekom hladnog valjanja povećanjem dubine defekta sa 40 µm na 5 µm.Na sl.Slika 14 prikazuje lomove duž površinskih defekata.Lom se događa u uvjetima dubine (55 µm), širine (2 µm) i duljine (733 µm).Pokazalo se da je kritična dubina površinskog defekta izvan izvora 55 μm.
Proces sačmarenja suzbija rast pukotina i povećava vijek trajanja stvaranjem zaostalog tlačnog naprezanja na određenoj dubini od površine opruge;međutim, izaziva koncentraciju naprezanja povećanjem površinske hrapavosti opruge, čime se smanjuje otpornost opruge na zamor.Stoga se tehnologija sekundarnog sačmarenja koristi za proizvodnju opruga visoke čvrstoće kako bi se kompenziralo smanjenje vijeka trajanja od zamora uzrokovano povećanjem hrapavosti površine uzrokovano sačmarenjem.Dvostupanjsko sačmarenje može poboljšati hrapavost površine, maksimalno tlačno zaostalo naprezanje i površinsko tlačno zaostalo naprezanje jer se drugo sačmarenje izvodi nakon prvog sačmarenje12,13,14.
Na sl.Slika 15 prikazuje analitički model procesa pjeskarenja.Izrađen je elastično-plastični model u kojem je 25 lopti za sačmu ispušteno u ciljano lokalno područje OT linije za pjeskarenje.U modelu analize sačmarenjem kao početni nedostaci korišteni su površinski defekti OT žice deformirane tijekom hladnog namotavanja.Uklanjanje zaostalih naprezanja koja proizlaze iz postupka hladnog valjanja kaljenjem prije procesa pjeskarenja.Korištena su sljedeća svojstva sačmene kugle: gustoća (ρ): 7800 kg/m3, modul elastičnosti (E) – 210 GPa, Poissonov omjer (υ): 0,3.Koeficijent trenja između kuglice i materijala postavljen je na 0,1.Sačme promjera 0,6 i 0,3 mm izbačene su istom brzinom od 30 m/s tijekom prvog i drugog prolaza kovanja.Nakon procesa pjeskarenja (između ostalih proizvodnih procesa prikazanih na slici 13), dubina, širina i duljina površinskih nedostataka unutar opruge kretale su se od -6,79 do 0,28 µm, -4,24 do 1,22 µm i -2,59 do 1,69 µm, odnosno µm.Zbog plastične deformacije projektila koji je izbačen okomito na površinu materijala, dubina defekta se smanjuje, posebno se značajno smanjuje širina defekta.Očigledno je došlo do zatvaranja defekta zbog plastične deformacije uzrokovane sačmarenjem.
Tijekom procesa toplinskog skupljanja, efekti hladnog skupljanja i žarenja na niskim temperaturama mogu istovremeno djelovati na oprugu ventila motora.Hladna postavka maksimizira razinu napetosti opruge komprimiranjem na najvišu moguću razinu na sobnoj temperaturi.U tom slučaju, ako je opruga ventila motora opterećena iznad granice tečenja materijala, opruga ventila motora se plastično deformira, povećavajući granicu tečenja.Nakon plastične deformacije, opruga ventila se savija, ali povećana granica tečenja osigurava elastičnost opruge ventila u stvarnom radu.Žarenje na niskoj temperaturi poboljšava otpornost na toplinu i deformaciju opruga ventila koje rade na visokim temperaturama2.
Površinski defekti deformirani tijekom pjeskarenja u FE analizi i polje zaostalog naprezanja izmjereno opremom za difrakciju X-zraka (XRD) primijenjeni su na podmodel 2 (Sl. 8) kako bi se zaključila promjena u defektima tijekom toplinskog skupljanja.Opruga je dizajnirana da radi u elastičnom području i komprimirana je sa svoje slobodne visine od 50,5 mm na svoju čvrstu visinu od 21,8 mm, a zatim je ostavljena da se vrati na svoju izvornu visinu od 50,5 mm kao uvjet analize.Tijekom toplinskog skupljanja, geometrija defekta se neznatno mijenja.Očigledno, zaostalo tlačno naprezanje od 800 MPa i više, stvoreno pjeskarenjem, suzbija deformaciju površinskih nedostataka.Nakon toplinskog skupljanja (slika 13), dubina, širina i duljina površinskih defekata variraju od -0,13 do 0,08 µm, od -0,75 do 0 µm, odnosno od 0,01 do 2,4 µm.
Na sl.Slika 16 uspoređuje deformacije defekata u obliku slova U i oblika V iste dubine (40 µm), širine (22 µm) i duljine (600 µm).Promjena širine defekata u obliku slova U i V veća je od promjene duljine, što je uzrokovano zatvaranjem u smjeru širine tijekom procesa hladnog valjanja i sačmarenja.U usporedbi s defektima u obliku slova U, defekti u obliku slova V nastali su na relativno većoj dubini i sa strmijim padinama, što sugerira da se može primijeniti konzervativan pristup pri nanošenju defekata u obliku slova V.
Ovaj odjeljak raspravlja o deformaciji početnog defekta u OT liniji za svaki proces proizvodnje opruge ventila.Početni defekt OT žice primjenjuje se na unutrašnjost opruge ventila gdje se očekuje kvar zbog velikih naprezanja tijekom rada opruge.Poprečni površinski defekti u obliku slova V OT žica malo su se povećali u dubinu i duljinu i naglo smanjili u širinu zbog savijanja tijekom hladnog namotavanja.Zatvaranje u smjeru širine događa se tijekom sačmarenja s malo ili nimalo primjetne deformacije tijekom konačnog zagrijavanja.U procesu hladnog valjanja i sačmarenja dolazi do velike deformacije u smjeru širine zbog plastične deformacije.Defekt u obliku slova V unutar opruge ventila pretvara se u defekt u obliku slova T zbog zatvaranja širine tijekom procesa hladnog valjanja.